Дослідження патернів безсерверної архітектури: вичерпний посібник

Безсерверні обчислення революціонізували спосіб створення та розгортання застосунків. Абстрагуючись від управління базовою інфраструктурою, розробники можуть зосередитися на написанні коду та створенні цінності. Цей посібник досліджує поширені патерни безсерверної архітектури, пропонуючи уявлення про їхні переваги, недоліки та реальні приклади застосування.

Що таке безсерверна архітектура?

Безсерверна архітектура — це модель виконання хмарних обчислень, де хмарний провайдер динамічно керує розподілом машинних ресурсів. Безсерверний провайдер піклується про всю базову інфраструктуру, тому вам не потрібно виділяти ресурси або керувати серверами. Ви платите лише за той обчислювальний час, який споживаєте.

Ключові характеристики безсерверної архітектури:

• Відсутність управління серверами: Розробникам не потрібно виділяти ресурси, масштабувати або керувати серверами.
• Оплата за використання: Ви платите лише за той обчислювальний час, який споживає ваш код.
• Автоматичне масштабування: Безсерверні платформи автоматично масштабують ресурси відповідно до попиту.
• Керування подіями: Функції запускаються подіями, такими як HTTP-запити, зміни в базі даних або повідомлення.

Переваги безсерверної архітектури

Використання безсерверного підходу пропонує кілька переваг:

• Зменшення операційних витрат: Усуває необхідність управління серверами, дозволяючи розробникам зосередитися на створенні функціоналу.
• Оптимізація витрат: Модель ціноутворення «оплата за використання» знижує витрати, особливо для застосунків із коливаннями трафіку.
• Покращена масштабованість та доступність: Автоматичне масштабування та відмовостійкість забезпечують високу доступність і продуктивність.
• Швидший вихід на ринок: Спрощене розгортання та управління прискорюють цикли розробки.

Поширені патерни безсерверної архітектури

З'явилося кілька архітектурних патернів, що дозволяють використовувати переваги безсерверних обчислень. Ось деякі з найпоширеніших:

1. Архітектура, керована подіями (Event-Driven Architecture)

Архітектура, керована подіями, — це парадигма програмної архітектури, що сприяє виробництву, виявленню, споживанню та реакції на події. У безсерверному контексті цей патерн часто передбачає, що сервіси запускають функції через події.

Приклад: конвеєр обробки зображень

Уявіть собі конвеєр обробки зображень. Коли користувач завантажує зображення до хмарного сховища (наприклад, Amazon S3, Azure Blob Storage або Google Cloud Storage), генерується подія. Ця подія викликає безсерверну функцію (наприклад, AWS Lambda, Azure Function, Google Cloud Function), яка виконує зміну розміру зображення, перетворення формату та інші завдання обробки. Оброблений файл потім зберігається назад у сховищі, що викликає іншу подію, яка може повідомити користувача або оновити базу даних.

Компоненти:

• Джерело подій: Хмарне сховище (S3, Blob Storage, Cloud Storage).
• Подія: Завантаження зображення.
• Функція: Функція обробки зображень (зміна розміру, конвертація).
• Призначення: Хмарне сховище, база даних.

Переваги:

• Розділення (Decoupling): Сервіси незалежні й комунікують через події.
• Масштабованість: Функції автоматично масштабуються залежно від обсягу подій.
• Стійкість: Збій однієї функції не впливає на інші частини системи.

2. Патерн API-шлюзу (API Gateway Pattern)

Патерн API-шлюзу передбачає використання API-шлюзу для управління вхідними запитами та їх маршрутизації до відповідних безсерверних функцій. Це забезпечує єдину точку входу для клієнтів і дозволяє реалізувати такі функції, як автентифікація, авторизація, обмеження швидкості запитів та їх трансформація.

Приклад: REST API

Розглянемо створення REST API за допомогою безсерверних функцій. API-шлюз (наприклад, Amazon API Gateway, Azure API Management, Google Cloud Endpoints) діє як «вхідні двері» для API. Коли клієнт надсилає запит, API-шлюз маршрутизує його до відповідної безсерверної функції на основі шляху та методу запиту. Функція обробляє запит і повертає відповідь, яку API-шлюз потім надсилає назад клієнту. Шлюз також може обробляти автентифікацію, авторизацію та обмеження швидкості для захисту API.

Компоненти:

• API-шлюз: Керує вхідними запитами, автентифікацією, авторизацією та маршрутизацією.
• Функції: Обробляють конкретні кінцеві точки API.
• База даних: Зберігає та отримує дані.

Переваги:

• Централізоване управління: Єдина точка входу для всіх запитів до API.
• Безпека: Автентифікація та авторизація на рівні шлюзу.
• Масштабованість: API-шлюз може обробляти великі обсяги трафіку.

3. Патерн «віялового розповсюдження» (Fan-Out Pattern)

Патерн «віялового розповсюдження» полягає в розподілі однієї події між кількома функціями для паралельної обробки. Це корисно для завдань, які можна виконувати незалежно, наприклад, надсилання сповіщень кільком користувачам або паралельна обробка даних.

Приклад: надсилання сповіщень

Припустимо, вам потрібно надіслати сповіщення кільком користувачам, коли публікується нова стаття. Коли стаття опублікована, генерується подія. Ця подія викликає функцію, яка «розвіює» сповіщення на кілька функцій, кожна з яких відповідає за надсилання сповіщення конкретному користувачеві або групі користувачів. Це дозволяє надсилати сповіщення паралельно, зменшуючи загальний час обробки.

Компоненти:

• Джерело подій: Публікація статті.
• Функція-розповсюджувач: Розподіляє сповіщення на кілька функцій.
• Функції-сповіщувачі: Надсилають сповіщення окремим користувачам.

Переваги:

• Паралельна обробка: Завдання виконуються одночасно, що скорочує час обробки.
• Масштабованість: Кожна функція може масштабуватися незалежно.
• Покращена продуктивність: Швидша доставка сповіщень.

4. Патерн агрегатора (Aggregator Pattern)

Патерн агрегатора передбачає збір даних з кількох джерел та їх об'єднання в один результат. Це корисно для завдань, що вимагають даних з кількох API або баз даних.

Приклад: агрегація даних

Розглянемо застосунок, якому потрібно відображати інформацію про продукт, включаючи його ціну, наявність та відгуки. Ця інформація може зберігатися в різних базах даних або отримуватися з різних API. Функція-агрегатор може збирати дані з цих різних джерел і об'єднувати їх в один об'єкт JSON, який потім надсилається клієнту. Це спрощує завдання клієнта з отримання та відображення інформації про продукт.

Компоненти:

• Джерела даних: Бази даних, API.
• Функція-агрегатор: Збирає та об'єднує дані.
• Призначення: Клієнтський застосунок.

Переваги:

• Спрощена логіка клієнта: Клієнту потрібно лише отримати один результат.
• Зменшення мережевих запитів: Менше запитів до джерел даних.
• Покращена продуктивність: Дані агрегуються на стороні сервера.

5. Патерн ланцюжка (Chain Pattern)

Патерн ланцюжка передбачає послідовне об'єднання кількох функцій для виконання серії завдань. Вивід однієї функції стає входом для наступної. Це корисно для складних робочих процесів або конвеєрів обробки даних.

Приклад: конвеєр перетворення даних

Уявіть собі конвеєр перетворення даних, який включає очищення, валідацію та збагачення даних. Кожен крок у конвеєрі може бути реалізований як окрема безсерверна функція. Функції об'єднані в ланцюжок, де вивід однієї функції передається на вхід наступній. Це дозволяє створити модульний та масштабований конвеєр обробки даних.

Компоненти:

• Функції: Кожна функція виконує конкретне завдання перетворення.
• Оркестрація: Механізм для об'єднання функцій у ланцюжок (наприклад, AWS Step Functions, Azure Durable Functions, Google Cloud Workflows).

Переваги:

• Модульність: Кожна функція відповідає за конкретне завдання.
• Масштабованість: Кожна функція може масштабуватися незалежно.
• Підтримуваність: Легше оновлювати та підтримувати окремі функції.

6. Патерн «душителя» (Strangler Fig Pattern)

Патерн «душителя» — це стратегія поступової міграції для модернізації застарілих застосунків шляхом поетапної заміни функціоналу безсерверними компонентами. Цей патерн дозволяє впроваджувати безсерверні сервіси, не порушуючи роботу існуючого застосунку.

Приклад: міграція моноліту

Припустимо, у вас є монолітний застосунок, який ви хочете перенести на безсерверну архітектуру. Ви можете почати з визначення конкретних функціональних можливостей, які можна легко замінити безсерверними функціями. Наприклад, ви можете замінити модуль автентифікації користувачів на безсерверну функцію, яка автентифікує користувачів через зовнішнього постачальника ідентифікаційних даних. У міру заміни більшої кількості функціоналу безсерверними компонентами монолітний застосунок поступово «стискається», поки врешті-решт не буде повністю замінений.

Компоненти:

• Застарілий застосунок: Існуючий застосунок, який потребує модернізації.
• Безсерверні функції: Нові безсерверні компоненти, що замінюють застарілий функціонал.
• Проксі/Маршрутизатор: Маршрутизує запити або до застарілого застосунку, або до нових безсерверних функцій.

Переваги:

• Зниження ризику: Поступова міграція зменшує ризик порушення роботи існуючого застосунку.
• Гнучкість: Дозволяє модернізувати застосунок у власному темпі.
• Економія коштів: Безсерверні компоненти можуть бути більш економічно ефективними, ніж застарілий застосунок.

Вибір правильного патерну

Вибір відповідного патерну безсерверної архітектури залежить від конкретних вимог вашого застосунку. Враховуйте наступні фактори:

• Складність застосунку: Простим застосункам може знадобитися лише базовий патерн API-шлюзу, тоді як більш складні застосунки можуть отримати вигоду від ланцюжків функцій або використання архітектури, керованої подіями.
• Вимоги до масштабованості: Обирайте патерни, які можуть автоматично масштабуватися для обробки коливань трафіку.
• Потреби в обробці даних: Розгляньте патерни, які підтримують паралельну обробку або агрегацію даних.
• Існуюча інфраструктура: Якщо ви мігруєте із застарілого застосунку, патерн «душителя» може бути хорошим варіантом.

Найкращі практики для безсерверної архітектури

Щоб досягти успіху з безсерверною архітектурою, дотримуйтесь цих найкращих практик:

• Зберігайте функції малими та сфокусованими: Кожна функція повинна мати єдину, чітко визначену мету. Це покращує підтримуваність та масштабованість.
• Використовуйте змінні середовища для конфігурації: Уникайте жорсткого кодування значень конфігурації у ваших функціях. Використовуйте змінні середовища для управління налаштуваннями конфігурації.
• Грамотно обробляйте помилки: Впроваджуйте надійну обробку помилок, щоб запобігти каскадним збоям у системі.
• Моніторте та логуйте ваші функції: Використовуйте інструменти моніторингу для відстеження продуктивності функцій та виявлення потенційних проблем. Логуйте важливі події для допомоги в налагодженні.
• Захищайте ваші функції: Впроваджуйте відповідні заходи безпеки для захисту ваших функцій від несанкціонованого доступу.
• Оптимізуйте холодні старти: Мінімізуйте затримку холодного старту, використовуючи відповідні середовища виконання мов та оптимізуючи код функцій.
• Впроваджуйте належні CI/CD конвеєри: Автоматизуйте розгортання та тестування ваших безсерверних функцій для забезпечення послідовних та надійних випусків.

Безсерверні технології у різних хмарних провайдерів

Основні концепції безсерверної архітектури застосовні для різних хмарних провайдерів, хоча конкретні реалізації та сервіси можуть відрізнятися. Ось короткий огляд:

• Amazon Web Services (AWS): AWS Lambda — флагманський безсерверний обчислювальний сервіс. AWS також пропонує API Gateway, Step Functions (для оркестрації) та S3 для зберігання.
• Microsoft Azure: Azure Functions — безсерверний обчислювальний сервіс від Microsoft. Azure також надає API Management, Durable Functions (для оркестрації) та Blob Storage.
• Google Cloud Platform (GCP): Google Cloud Functions — безсерверний обчислювальний сервіс від Google. GCP пропонує Cloud Endpoints (API-шлюз), Cloud Workflows (для оркестрації) та Cloud Storage.

Хоча кожен провайдер має свої унікальні функції та моделі ціноутворення, фундаментальні принципи безсерверної архітектури залишаються незмінними. Вибір правильного провайдера залежить від ваших конкретних потреб, існуючої інфраструктури та знайомства з платформою.

Безсерверні технології та глобальні аспекти

При проєктуванні безсерверних застосунків для глобальної аудиторії кілька факторів стають особливо важливими:

• Затримка (Latency): Мінімізуйте затримку, розгортаючи функції в регіонах, близьких до ваших користувачів. Хмарні провайдери пропонують розгортання безсерверних функцій у конкретних регіонах. Мережі доставки контенту (CDN) також можуть допомогти кешувати контент ближче до користувачів, покращуючи продуктивність.
• Резидентність даних: Пам'ятайте про вимоги до резидентності даних у різних країнах та регіонах. Переконайтеся, що дані зберігаються та обробляються відповідно до місцевих нормативних актів.
• Локалізація: Проєктуйте ваші застосунки для підтримки кількох мов та валют. Безсерверні функції можна використовувати для динамічної генерації контенту на основі уподобань або місцезнаходження користувача.
• Відповідність вимогам (Compliance): Переконайтеся, що ваші застосунки відповідають відповідним галузевим стандартам та нормам, таким як GDPR, HIPAA та PCI DSS.
• Оптимізація витрат: Оптимізуйте продуктивність функцій та використання ресурсів для мінімізації витрат. Звертайте пильну увагу на моделі ціноутворення та патерни використання в конкретних регіонах.

Ретельно враховуючи ці фактори, ви можете створювати безсерверні застосунки, які є глобально доступними, продуктивними та відповідними вимогам.

Висновок

Безсерверна архітектура пропонує потужний підхід до створення та розгортання сучасних застосунків. Розуміючи поширені патерни безсерверної архітектури та дотримуючись найкращих практик, ви можете скористатися перевагами зменшення операційних витрат, оптимізації вартості та покращеної масштабованості. Оскільки безсерверні технології продовжують розвиватися, дослідження та адаптація цих патернів будуть вирішальними для створення ефективних та інноваційних рішень у хмарі.